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基于ZigBee的煤层气体泄漏监控系统终端模块设计

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贺国强陈振宇史航孙柏林瞿聪韩成浩

摘要：文章介绍了煤层气体泄露监控系统终端模块设计方案，包括其硬件设计和软件设计，说明该系统的核心技术是ZigBee技术。以ZigBee技术为核心，该系统具备诸多优势，其功耗、成本都较低，灵敏度、抗干扰能力亦都较强。

关键词：ZigBee；煤层气体泄漏；监控系统终端

长期以来，煤层气（俗称瓦斯）事故的数量在煤矿事故的总数量中所占比例一直居高不下。根据记录显示，煤矿事故中死亡3人以上的，煤层气事故占70%之多，10人以上死亡的事故中煤层气事故更是达到了90%。提高地下煤矿的工作环境安全系数、改善工作条件、提高工作效率，对国民经济越好越快发展意义重大。

ZigBee是目前广泛应用的一种技术，其特点是复杂度低、功耗低、数据速率低、成本低，是一种双向无线通信技术，ZigBee的完整协议栈有32 kB，可以嵌入各种设备中应用，并且支持地理定位功能[1]。本系统中煤矿煤层气无线监测系统就是基于ZigBee技术的无线传感器网络，采用低功耗、具有较强抗干扰能力的微控制器为核心，系统可对煤矿矿井空气中的煤层气浓度进行实时检测，具有可靠性、便于安装性、成本低、节能及实际可行性等优点。系统可对煤矿生产工作的进行提供一定的保障，提高一定的生产效率，并且在矿井的防灾、减灾方面发挥一定的作用。

1 设计方案

监控系统整个网络分成2层，上层是上位机，就是由计算机及其内部的应用程序和数据库构成，是整个网络信息的汇聚点[3]，同时负责对数据进行分析和处理。下层是ZigBee无线通信网络，由协调器、路由器和节点3个部分组成。网络构成呈网状发散式结构，数据信息也由节点一路由器一协调器的方式逐级传送。上层计算机与下层协议栈采用TCP/IP有线网络连接，以保证数据通信的稳定性和网络的可扩展性。

实际应用中，基于考虑一般矿井深度都在10公里以上，故而需要在矿井中安置100个以上的ZigBee节点，由这些节点共同组成ZigBee组网。组网中各个ZigBee节点负责采集各自区域内的煤层气浓度数据，再将这些数据传送至各个ZigBee节点组的路由器。每个ZigBee节点具有各自的传感器模块，各个传感器模块由气体传感器和温湿度传感器组成，负责完成数据的采集和转换，微控制器CC2530模块则负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理、任务管理等[2]，存储模块负责存储采集到的数据；电源模块为两节1.5 V的碱性电池，负责提供能量，选通所用到的传感器。

2 系统硬件电路设计

2.1 核心控制电路设计

本系统是基于CC2530模块设计的，其中CC2530是整个系统的核心器件，实现无线网络的组网、信息传输等功能。同时，由于CC2530内部集成51内核，控制程序均写在其中，实现各个功能。如图1所示。

2.2 气体传感器模块介绍

本设计中，气体传感器采用KGS-20半导体传感器，该传感器由北京吉华科技有限公司生产，体积小，功耗低，基本材料是二氧化锡。KGS-20是一种专用于可燃气浓度检测的传感器，瓦斯报警器、瓦斯检测仪中都可见到它的身影，它具有极高的灵敏度，响应速度也极快，且功耗较低，应用电路也简单，其报警浓度为甲烷≥1%，响应时间≤20 s，恢复时间≤30 s，工作温度范围-15℃?+ 50℃，湿度≤97%RH，静态功耗为150 mW，报警状态功耗为300 mW，供电电压为3?5 VDC。其中PHT04000W是一个电压转换模块，在其中的作用就是给瓦斯传感器提供0.9 V的电源。

2.3 温湿度传感器SHT75模块

本设计中，温湿度传感器采用SHT75数字温湿度传感器，该传感器由瑞士 Scnsirion公司推出。该传感器包含两部分——電容性测湿敏感元件和用能隙材料制成的测温元件。传感器将传感元件及信号处理电路集成在一块微小电路板上，实现信号采集和数据转换，可稳定输出标定的数字信号，传感器具有极高的可靠性和长期稳定性，采用专利CMOSens技术，支持低功耗，并且在同一芯片上可实现14位的A/D转换器以及串行接口电路的无缝连接，而且，传感器芯片是在超精确的湿度腔室中进行标定，校准系数以程序形式储存在一次性可编程（One Time Programable，OTP）内存中，来用于内部信号校准。两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。故而，该传感器具有几大优点：响应迅速、性价比高、抗干扰能力强、体积小、功耗低等。

2.4 声、光报警电路设计

在系统运行中，一旦发生煤层气浓度超标，不仅要将此报警信息上传到上层计算机中。同时，还要警告附近的工作人员，故而设计了声、光报警电路。

3 系统软件设计

3.1 ZigBee协调器程序

协调器是整个组网的核心部分，主要用来初始化整个网络，在整个井下组网中作为管理者存在。其中ZigBee协调器软件设计主程序流程如图2所示。ZigBee协调器启动之后首先开始初始化设备，然后执行中断程序，判断主机是否有数据要发送，如果主机有数据信息需要发送则用无线模块发送数据出去，发完数据之后进行校验，看是否已经发送成功。如果不成功则重复运行发送数据模式。当协调器处在空闲状态时，本身没有数据需要发送，它就会扫描整个信号看是否有数据需要发送，如果发现有则和上面一样执行接收这个需要发送的数据，然后经过校验、数据包解压，最后通过数据总线传输到井上监控子系统。

3.2 ZigBee组网流程

在给系统通电之后，ZigBee的无线传感器会自动执行扫描信道，看是否已经存在建好的网络，如果扫描到信道已经有建好的网络，这个无线传感器会选择一个父节点对其发送入网请求，协调器收到请求信号之后会给这个节点分配地址并确认确实存在这个地址，这样就成功地加入了一个网络。如果在系统通电扫描信道之后，发现信道中没有已经建好的网络，则它将自己设定为协调器，建立一个新的网络，它也可以接受其他的节点加入请求并分配网络地址给节点。所以说它具有自组织网络的功能。

4 结语

本研究项目煤矿煤层气无线监测系统是基于ZigBee技术的无线传感器网络，采用低功耗、具有较强抗干扰能力的微控制器为核心，结合灵敏度很高的气体传感器和单总线技术及控制算法，对周围环境的空气浓度进行实时监测，系统具有便于安装性、成本低、节能及实际可行性等优点，本项目的研制成功会使报警控制设备更趋近于现代化、智能化，进一步提高煤矿工作环境的安全系数，提高工作效率。现在，ZigBee技术因为其具有的独特优势技术，弥补了短距离无线网络通信方面市场的空白，低功耗、低速率和低成本的特点在各个方面得到应用，相信在很短的时间内，该技术会在社会的多个方面发展和运用。

[参考文献]

[1]王权平，王莉.ZigBee技术及其应用[J].现代电信科技，2004（1）：33-37.

[2]周怡颋.ZigBee无线通信技术及其应用探讨[D].上海：华东理工大学，2002.

[3]周怡颋，凌志浩，吴勤勤.ZigBee无线通信技术及其应用探讨[J].自动化仪表，2005（6）：5-9.

[4]张心泉，左芸，凌志浩.基于ZigBee的无线传感器节点的设计与实现[J].仪器仪表智能化，2007（6）：197-201.

[5]孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.

[6]王小强，欧阳俊，黄宁淋.ZigBee无线传感器网络设计与实现[M].北京：化学工业出版社，2012.

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